專利名稱：三氧化二硼－碳化硅自潤滑涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳/碳復(fù)合材料表面三氧化二硼-碳化硅自潤滑涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
碳/碳復(fù)合材料具有密度小、耐高溫、比強度大、耐熱沖擊、耐腐蝕、吸振性好以及自潤滑性能，是一種綜合性能優(yōu)異的摩擦材料。作為摩擦材料，碳/碳復(fù)合材料已被用作飛機的剎車盤、自潤滑軸承和內(nèi)燃機活塞等。但是碳/碳復(fù)合材料的摩擦磨損性能受到眾多因素的影響，如無氧、無水蒸氣的環(huán)境中，碳/碳復(fù)合材料將失去自潤滑性能，潤滑效果差；除了環(huán)境氣氛外，溫度對碳/碳復(fù)合材料的摩擦性能有不可忽視的影響。碳/碳復(fù)合材料在150～200℃溫度范圍內(nèi)發(fā)生從“正常磨損”到“粉塵磨損”的轉(zhuǎn)變，在低于轉(zhuǎn)變溫度的“正常磨損”區(qū)域，碳/碳復(fù)合材料的摩擦系數(shù)僅為0.1～0.2，但在轉(zhuǎn)變溫度以上，摩擦系數(shù)增大至0.25～0.5。若將碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用于空間機械潤滑系統(tǒng)或內(nèi)燃機的活塞等潤滑系統(tǒng)中時，要保持低摩擦系數(shù)，就必須在其表面制備低摩擦系數(shù)涂層。由此可見，根據(jù)不同需要在碳/碳復(fù)合材料制備出不同結(jié)構(gòu)的自潤滑涂層，是其獲得商業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠進一步發(fā)揮其在航空航天及民用領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力。在碳/碳復(fù)合材料的表面制備自潤滑涂層的研究尚未見文獻報道。
硼酸是層狀結(jié)構(gòu)的晶體，層與層之間以微弱的范德華力聯(lián)系在一起，層間剪切力小，其鍵合特性與固體潤滑劑二硫化鉬和石墨非常相似，具有低的摩擦系數(shù)，因此可以用作潤滑劑。三氧化二硼在室溫下能與空氣中的水蒸氣反應(yīng)，在其表面生成硼酸潤滑膜，可被間接用作潤滑涂層。Erdemir A.et al利用電子束加熱蒸發(fā)的方法在鐵和多晶態(tài)的α-鋁上制備三氧化二硼涂層(Erdemir A.，F(xiàn)enske G R.，Erck R.A..Surface and CoatingsTechnology，1990，43/44588-596.)，三氧化二硼涂層和空氣中的水蒸氣反應(yīng)生成硼酸潤滑膜，摩擦系數(shù)在0.025～0.05。Erdemir A.et al將碳化硼置于箱式爐中在800℃氧化生成三氧化二硼，后利用三氧化二硼原位反應(yīng)來制備硼酸潤滑膜，摩擦系數(shù)在0.03～0.05(Erdemir A.，Bindal C.，Zuiker C.，et al.Surface and Coatings Technology，1996，86/87507-510.)。目前，在制備高精度、長壽命陀螺中的碳化硼氣動軸承時，也有運用同樣的方法在軸承的表面生成低摩擦系數(shù)自潤滑硼酸膜(吳芳，王零森，張金生等.中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，22(1)78-80.)。同時，三氧化二硼在650℃時仍具有潤滑性能，摩擦系數(shù)低(約為0.1)(Larsson P.，Axén N.，Hogmark S..Wear，1999，23673-80.)。采用電子束加熱蒸發(fā)制備三氧化二硼涂層需用較為貴重的設(shè)備，且較難制備大尺寸的試樣。采用包埋法和料漿法兩步工藝在碳/碳復(fù)合材料的表面制備以碳化硅為過渡層、三氧化二硼涂層為外涂層的自潤滑涂層體系，提高了外涂層與碳/碳復(fù)合材料的結(jié)合力，這種自潤滑涂層體系尚未見文獻報道。

發(fā)明內(nèi)容
為解決目前碳/碳復(fù)合材料的摩擦磨損性能受環(huán)境、溫度眾多因素的影響，造成潤滑效果差、摩擦系數(shù)增大的問題，本發(fā)明提出了一種碳/碳復(fù)合材料表面三氧化二硼-碳化硅自潤滑涂層及其制備方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是以碳化硅為過渡層、三氧化二硼涂層為外涂層，原位反應(yīng)形成硼酸為碳/碳復(fù)合材料表面自潤滑涂層。
本發(fā)明采用包埋法和料漿法的兩步法制備，即用包埋法制備碳化硅內(nèi)涂層，用料漿法制備三氧化二硼外涂層。具體方法是以硅粉、碳粉和三氧化二鋁為原料，將70～85％的硅粉、10～20％的碳粉、5～15％的三氧化二鋁粉的配比制成混合粉體；將碳/碳復(fù)合材料打磨拋光后埋于混合粉體中，置于保護氣氛中，在1500～2000℃的溫度下燒結(jié)，通過固滲反應(yīng)得到所需的碳化硅內(nèi)涂層；將三氧化二硼粉末和無水乙醇調(diào)成料漿，將料漿涂刷于碳化硅內(nèi)涂層上，待乙醇揮發(fā)后，將所得試樣在500～700℃的溫度下于保護氣氛中進行燒結(jié)，降至室溫；將試樣置于空氣中，即可得到自潤滑涂層。
三氧化二硼-碳化硅自潤滑涂層的摩擦系數(shù)為0.065～0.083，有效地降低了碳/碳復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，拓展了碳/碳摩擦材料的應(yīng)用領(lǐng)域。制備涂層所采用的方法特有的優(yōu)點是工藝控制簡單，涂層均勻。由于這些優(yōu)點使該方法具有發(fā)展成大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的潛力。


附圖1是碳/碳復(fù)合材料表面三氧化二硼-碳化硅涂層的制備工藝流程圖；附圖2是1600℃下制備的碳化硅涂層的表面的掃描電鏡照片；附圖3是1600℃下制備的碳化硅涂層的X-射線衍射圖；附圖4是碳/碳復(fù)合材料表面三氧化二硼-碳化硅涂層的表面的掃描電鏡照片；附圖5是碳/碳復(fù)合材料表面三氧化二硼-碳化硅涂層的X-射線衍射附圖6是碳/碳復(fù)合材料和三氧化二硼-碳化硅涂層的摩擦系數(shù)；具體實施例方式實施例1本實施例以硅粉、碳粉和三氧化二鋁為原料，采用包埋法和料漿法的兩步法制備，即用包埋法制備碳化硅內(nèi)涂層，用料漿法制備三氧化二硼外涂層。具體實施步驟是1.制備混合粉體。對硅粉、碳粉和三氧化二鋁粉進行球磨混合處理。取77％的硅粉、15％的碳粉和8％的三氧化二鋁粉，置于樹脂球磨罐中。同時分別取直徑為25mm、12mm、7mm、2mm的瑪瑙球各2個、5個、24個、50個放于球磨罐中，加入蒸餾水作為球磨劑，其中料、球、水的比例為1∶3∶0.8(質(zhì)量百分比)；將球磨罐放于球磨機上并夾緊。打開球磨機，先以120轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速球磨混料2小時，然后，將轉(zhuǎn)速調(diào)至180轉(zhuǎn)/分鐘，球磨5小時后再反方向旋轉(zhuǎn)球磨5小時，共計球磨12小時。將球磨后的混合料漿取出過220目篩后放入燒杯中。將裝有料漿的燒杯放于烘箱中于90℃下烘干，之后用研缽研磨分散粉料，再過220目篩后備用。
2.制做試件。將密度為1.72g/cm3的碳/碳復(fù)合材料切割為12×12×6mm3的試樣，分別用400號、800號以及1000號的砂紙依次打磨拋光后用蒸餾水洗滌干凈，于100℃烘箱中烘干。
3.用包埋法制備碳化硅內(nèi)涂層。將試件置于石墨坩堝內(nèi)，并用混合粉體將試件包埋后密閉坩堝；將石墨坩堝放入真空爐中，抽真空30分鐘后使真空度達到-0.09MPa，靜置30分鐘；通氬氣至常壓后再抽真空，此過程重復(fù)三次。隨后將爐溫從室溫升至1600℃，升溫速度控制在10℃/min，達到預(yù)定的最高溫度后保溫3小時，隨后降溫，以10℃/min的速度降溫至1200℃，關(guān)電源自然冷卻至室溫，整個過程通氬氣保護。開爐后除去試樣表面附著的粉料，用超聲波清洗器進行洗滌后，并置于烘箱中在120℃下烘干2小時。
4.用料漿法制備三氧化二硼外涂層。將三氧化二硼粉末和無水乙醇調(diào)成料漿，將料漿涂刷于碳化硅內(nèi)涂層上，讓乙醇自然揮發(fā)，此過程需重復(fù)4次。將試樣置于真空爐中，抽真空30分鐘后使真空度達到-0.09MPa，靜置30分鐘。通氬氣至常壓后再抽真空，此過程重復(fù)三次。將爐溫從室溫升至500℃，升溫速度控制在10℃/min，達到預(yù)定的最高溫度后保溫30分鐘，關(guān)電源自然冷卻至室溫，整個過程通氬氣保護。
5.原位反應(yīng)生成硼酸潤滑膜。取出試樣，置于空氣中，放置24小時?？梢钥吹皆嚰砻嬗邪咨呐鹚釢櫥ど?。
實施例2本實施例以硅粉、碳粉和三氧化二鋁為原料，采用包埋法和料漿法的兩步法制備，即用包埋法制備碳化硅內(nèi)涂層，用料漿法制備三氧化二硼外涂層。具體實施步驟是1.制備混合粉體。對硅粉、碳粉和三氧化二鋁粉進行球磨混合處理。取72％的硅粉、13％的碳粉和15％的三氧化二鋁粉，置于樹脂球磨罐中。同時分別取直徑為25mm、12mm、7mm、2mm的瑪瑙球各2個、5個、24個、50個放于球磨罐，加入蒸餾水作為球磨劑，控制料、球、水的比例為料∶球∶水＝1∶3∶0.8(質(zhì)量百分比)，將球磨罐放于球磨機上并夾緊。打開球磨機，先以120轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速球磨混料2小時，然后，將轉(zhuǎn)速調(diào)至180轉(zhuǎn)/分鐘，球磨5小時后再反方向旋轉(zhuǎn)球磨5小時，共計球磨12小時。將球磨后的混合料漿取出過220目篩后放入燒杯中。將裝有料漿的燒杯放于烘箱中于90℃下烘干，之后用研缽研磨分散粉料，再過220目篩后備用。
2.制做試件。將密度為1.75g/cm3的碳/碳復(fù)合材料用鋼鋸切割為12×12×6mm3的試樣，分別用400號、800號以及1000號的砂紙依次打磨拋光后用蒸餾水洗滌干凈，于100℃烘箱中烘干。
3.用包埋法制備碳化硅內(nèi)涂層。將試件置于石墨坩堝內(nèi)，并用混合粉體將試件包埋后密閉坩堝；將石墨坩堝放入真空爐中，抽真空30分鐘后使真空度達到-0.09MPa，靜置30分鐘；通氬氣至常壓后再抽真空，此過程重復(fù)三次。隨后將爐溫從室溫升至1700℃，升溫速度控制在10℃/min，達到預(yù)定的最高溫度后保溫2小時，隨后降溫，以10℃/min的速度降溫至1200℃，關(guān)電源自然冷卻至室溫，整個過程通氬氣保護。開爐后除去試樣表面附著的粉料，用超聲波清洗器進行洗滌后，并置于烘箱中在120℃下烘干2小時。
4.用料漿法制備三氧化二硼外涂層。將三氧化二硼粉末和無水乙醇調(diào)成料漿，將料漿涂刷于碳化硅內(nèi)涂層上，讓乙醇自然揮發(fā)，此過程需重復(fù)3次。將試樣置于真空爐中，抽真空30分鐘后使真空度達到-0.09MPa，靜置30分鐘。通氬氣至常壓后再抽真空，此過程重復(fù)三次。將爐溫從室溫升至650℃，升溫速度控制在20℃/min，達到預(yù)定的最高溫度后保溫20分鐘，關(guān)電源自然冷卻至室溫，整個過程通氬氣保護。
5.原位反應(yīng)生成硼酸潤滑膜。取出試樣，置于空氣中，放置30小時。可以看到試件表面有白色的硼酸潤滑膜生成。
實施例3本實施例以硅粉、碳粉和三氧化二鋁為原料，采用包埋法和料漿法的兩步法制備，即用包埋法制備碳化硅內(nèi)涂層，用料漿法制備三氧化二硼外涂層。具體實施步驟是1.制備混合粉體。對硅粉、碳粉和三氧化二鋁粉進行球磨混合處理。取82％的硅粉、12％的碳粉和6％的三氧化二鋁粉，置于樹脂球磨罐中。同時分別取直徑為25mm、12mm、7mm、2mm的瑪瑙球各2個、5個、24個、50個放于球磨罐中，加入蒸餾水作為球磨劑，其中料、球、水的比例為1∶3∶0.8(質(zhì)量百分比)；將球磨罐放于球磨機上并夾緊。打開球磨機，先以120轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速球磨混料2小時，然后，將轉(zhuǎn)速調(diào)至180轉(zhuǎn)/分鐘，球磨5小時后再反方向旋轉(zhuǎn)球磨5小時，共計球磨12小時。將球磨后的混合料漿取出過220目篩后放入燒杯中。將裝有料漿的燒杯放于烘箱中于90℃下烘干，之后用研缽研磨分散粉料，再過220目篩后備用。
2.制做試件。將密度為1.80g/cm3的碳/碳復(fù)合材料切割為12×12×6mm3的試樣，分別用400號、800號以及1000號的砂紙依次打磨拋光后用蒸餾水洗滌干凈，于100℃烘箱中烘干。
3.用包埋法制備碳化硅內(nèi)涂層。將試件置于石墨坩堝內(nèi)，并用混合粉體將試件包埋后密閉坩堝；將石墨坩堝放入真空爐中，抽真空30分鐘后使真空度達到-0.09MPa，靜置30分鐘；通氬氣至常壓后再抽真空，此過程重復(fù)三次。隨后將爐溫從室溫升至1800℃，升溫速度控制在10℃/min，達到預(yù)定的最高溫度后保溫1小時，隨后降溫，以10℃/min的速度降溫至1200℃，關(guān)電源自然冷卻至室溫，整個過程通氬氣保護。開爐后除去試樣表面附著的粉料，用超聲波清洗器進行洗滌后，并置于烘箱中在120℃下烘干2小時。
4.用料漿法制備三氧化二硼外涂層。將三氧化二硼粉末和無水乙醇調(diào)成料漿，將料漿涂刷于碳化硅內(nèi)涂層上，讓乙醇自然揮發(fā)，此過程需重復(fù)4次。將試樣置于真空爐中，抽真空30分鐘后使真空度達到-0.09MPa，靜置30分鐘。通氬氣至常壓后再抽真空，此過程重復(fù)三次。將爐溫從室溫升至600℃，升溫速度控制在15℃/mm，達到預(yù)定的最高溫度后保溫30分鐘，關(guān)電源自然冷卻至室溫，整個過程通氬氣保護。
5.原位反應(yīng)生成硼酸潤滑膜。取出試樣，置于空氣中，放置36小時。可以看到試件表面有白色的硼酸潤滑膜生成。
權(quán)利要求
1.一種三氧化二硼-碳化硅自潤滑涂層，其特征在于以碳化硅為過渡層，以三氧化二硼涂層為外涂層，原位反應(yīng)形成硼酸為碳/碳復(fù)合材料表面自潤滑涂層。
2.一種制備如權(quán)利要求1所述三氧化二硼-碳化硅自潤滑涂層的方法，其特征在于采用包埋法和料漿法的兩步法制備，即用包埋法制備碳化硅內(nèi)涂層，用料漿法制備三氧化二硼外涂層。
3.如權(quán)利要求2所述制備三氧化二硼-碳化硅自潤滑涂層的方法，其特征在于制備過程為a.用高純度的硅粉、碳粉和三氧化二鋁作原料研磨過篩制成混合粉體；b.將碳/碳復(fù)合材料打磨拋光后埋于混合粉體中，置于保護氣氛中燒結(jié)；c.將三氧化二硼粉末和無水乙醇調(diào)成料漿涂刷于碳化硅內(nèi)涂層上，待乙醇揮發(fā)后置于保護氣氛中進行燒結(jié)；d.將試樣置于空氣中，以得到自潤滑涂層。
4.如權(quán)利要求3所述制備三氧化二硼-碳化硅自潤滑涂層，其特征在于混合粉中硅粉為70～85％，碳粉為10～20％，和三氧化二鋁為5～15％。
5.如權(quán)利要求3所述制備三氧化二硼-碳化硅自潤滑涂層，其特征在于料漿的燒結(jié)溫度為500～700℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳/碳復(fù)合材料表面三氧化二硼－碳化硅自潤滑涂層。為解決現(xiàn)有技術(shù)中 碳/碳復(fù)合材料的摩擦磨損性能受環(huán)境、溫度等眾多因素的影響，造成潤滑效果差、摩擦系數(shù)增大的問題，本發(fā)明以碳化硅為過渡層、三氧化二硼涂層為外涂層，原位反應(yīng)形成硼酸為碳/碳復(fù)合材料表面自潤滑涂層以硅粉、碳粉和三氧化二鋁為原料，將70～85％的硅粉、10～20％的碳粉、5～15％的三氧化二鋁粉混合均勻，采用包埋法置備碳化硅的過渡層；采用料漿法在碳化硅涂層表面制備三氧化二硼涂層。本發(fā)明有效地降低了碳/碳復(fù)合材料的摩擦系數(shù)，拓展了碳/碳摩擦材料的應(yīng)用領(lǐng)域，具有工藝控制簡單，涂層均勻的特點，適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號C10M103/00GK1710038SQ200510042849
公開日2005年12月21日 申請日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月24日
發(fā)明者李賀軍, 胡志彪, 李克智 申請人:西北工業(yè)大學(xué)